多学科交叉融合的矿物药炉甘石煅制综合实验设计

王贤书,李佳,王会,马光芳,王勤,李亚楠,3,卓鱼周,3

(1.贵州中医药大学 药学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州中医药大学 药物物理研究中心,贵州 贵阳 550025;3.贵州中医药大学 药用矿物资源与开发研究中心,贵州 贵阳 550025)

学科交叉融合是在不同学科差异的基础上,打破学科之间的边界,将多个学科知识体系相互融会贯通,促进各学科之间相互渗透、相互交叉的一种活动[1-2]。《中药炮制学》是一门研究中药炮制的传统理论、炮制原理、制备工艺、品质标准、历史沿革及其发展方向[1]的一门学科,是最具中医药特色的学科之一,理论和实践都比较强,具有综合性强、覆盖面广等特点[3],是我国药学领域唯一拥有自主知识产权的技术[4],中药学相关专业学生开设《中药炮制学》,目的在于帮助学生掌握中药炮制的基本理论、基本知识和基本技能,巩固并深化学生的专业理论体系,把学生培养成知识面宽、实践性强、适应中药产业发展需要的复合型技术应用型专门人才。《中药炮制学》总学时有72学时,其中实验及实践有32学时,在教学过程中发现,本课程的实验教学部分,现行的教学模式以及教学内容还需要改进。首先,在实验教学中,多进行单一技术性验证实验。该课程由于受到历史条件和科学文化水平的限制,炮制方法原始,工艺简单,理论阐述较简略[5],按照实验教材现有内容进行教学,难以激发学生的创新意识和创新能力;其次,《中药炮制学实验》课程中有关矿物药的炮制实验开设的内容较少,且滞后于科研实际,为了在教学中突破实验教材的局限,使学生获得更广博、更先进的知识,培养创新性思维,《中药炮制学实验》在“创新引领课堂”驱动下对教学改革进行深入探索,是提升中药炮制学课程教学质量、凸显中药学学科特色、创新中药人才传承和培育的重要举措。我校中药学相关专业的学生开设该课程时已具备一定的专业基础知识,在《中药炮制学》课程中,矿物药的炮制过程涉及到了许多分解反应、化学反应等相关化学方程,结合化学工程、材料科学与技术、计算机技术模拟和矿物药炮制等多学科相关知识则可以有效帮助学生理解矿物药炮制所涉及到的有关化学反应,可以使炮制课程的教学更加形象生动、直观,能够紧密联系中药饮片的生产过程,激发学生的专业学习兴趣与热情。

因此,设计了多学科交叉融合的矿物药炉甘石煅制综合实验设计,解决矿物药炮制实验中的问题,激发学生动手能力和应用新知识的能力。

1 综合教学实验设计的理论依据

炉甘石来源于碳酸盐类矿物方解石族菱锌矿的矿石,药用历史悠久[6,是中医眼科、皮肤科、外科的常用药,具有明目退翳,收涩敛疮之功效。炉甘石不能生用,均须炮制后入药[7,《中华人民共和国药典》一部(2020年版)规定炉甘石的炮制包括煅制和水飞两个步骤,其中煅法是按照明煅法煅至红透来进行,药典中对炉甘石的煅制工艺和火候表述模糊,实际炮制过程中炉甘石不同煅制温度和时间对其化学成分及药效均有影响,为此,采用现代科学手段和研究方法对炉甘石炮制原理进行研究以便学生能够掌握炮制机理,为今后的学习和工作打下基础具有重要的意义。

2 综合教学实验的设计

2.1 实验目的及要求

(1)学习炉甘石的煅制方法;(2)学习HSC Chemistry 6.0软件计算炉甘石炮制化学反应的热力学参数的计算及分析,反应温度的平衡组成的影响;(3)学习炉甘石生品和炮制品的表征技术,了解X射线粉末衍射仪和热重-质谱联用系统TG-DSC-MS的工作原理及操作技能;(4)掌握查阅中外文文献的方法,培养学生发现问题、分析问题、思考问题以及解决问题的能力,培养学生理论基础知识与实践技能综合应用的能力,培养中药学专业学生的创新能力。

2.2 实验设计方法

以炉甘石煅制研究的科研成果进入中药学炮制学实验教学为例,用计算软件解决矿物药炮制的问题,采用HSC Chemistry 6.0软件,利用反应和平衡模块进行了计算。对炉甘石的分解利用热力学数据进行了评价,利用热分析-质谱分析的实验结果进行验证分析,通过炉甘石炮制实验研究煅制温度和时间对有效成分含量和物相的变化规律。

2.3 实验准备

2.3.1 实验试剂

矿物药炉甘石,采于贵州省赫章县丫都铜炉上,经破碎、烘干、研磨、过筛(粒径小于 85 μm)后备用。乙二胺四醋酸二钠、氨水、磷酸氢二钠、三乙醇胺、铭黑T、氯化铵、盐酸、亚铁氰化钾等化学试剂均为分析纯。

2.3.2 实验仪器

箱式马弗炉HY-1200、德国布鲁克X射线衍射仪 D8 ADVANCE;英国马尔文X射线荧光光谱仪Zetium Minerals Edition;德国耐驰STA409PC热分析仪和QMS403四极质谱仪组成的热重-质谱联用系统。

2.4 授课内容

2.4.1 炉甘石的煅制

取净制的粉碎过100目(0.15 mm)筛网的炉甘石粉末适量,放入瓷方舟内,置马弗炉中,在200～800 ℃温度范围内按梯度为100 ℃分别煅烧 20,40,60,80 min,自然冷却至常温待用。

2.4.2 炉甘石ZnO含量测定

取各炉甘石样品,实验所用方法按照《中国药典》2020年版一部炉甘石项下的含量测定方法[8-11]:取本品粉末约0.1 g,在105 ℃干燥1 h,精密称定,置锥形瓶中,加稀盐酸10 mL,振摇使锌盐溶解,加浓氨试液与氨-氯化铵缓冲液(pH值10.0)各 10 mL,摇匀,加磷酸氢二钠试液10 mL,振摇,滤过。锥形瓶与残渣用氨-氯化铵缓冲液(pH值10.0)1份与水4份的混合液洗涤3次,每次10 mL,合并洗液与滤液,加 30%三乙醇胺溶液 15 mL 与铬黑 T指示剂少量,用乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05 mol/L)滴定至溶液由紫红色变为纯蓝色。每 1 mL乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05 mol/L)相当于 4.069 mg 的氧化锌(ZnO)。本品按干燥品计算,生品炉甘石含氧化锌不得少于40%,煅炉甘石含氧化锌(ZnO)不得少于56.0%。

2.4.3 测试条件及方法

炉甘石的物相结构采用 XRD 进行测定,测试条件:采用Cu靶Kα辐射,扫描角度范围2θ=5～50°,电压40.0 kV,电流40.0 mA,扫描速度2 °/min,扫描步长0.02 °。

采用德国Netzsch STA 449C型热分析仪和QMS403四极质谱仪组成的热重-质谱联用系统测定炉甘石的热及气体析出过程。实验条件:将(30±0.1)mg炉甘石样品置于Al2O3坩埚中,升温速率10 ℃/min,热解气氛为空气气氛。

2.4.4 HSC热力学软件介绍及模拟计算法

由芬兰研发的HSC化学热力学计算程序和其数据库包含20 000多种化合物的热力学基础数据,并能将计算结果用于模拟化学反应和平衡过程,广泛应用于材料、化学、化工冶金、燃烧学、环保等领域[12-16],目前在国内高校本科生教学中也有应用[1-18]。利用化学热力学软件HSC chemistry 6.0的Reaction Equations模块计算了炉甘石在空气中的分解反应,对温度在0～1 000 ℃时各反应的焓变(ΔH)、熵变(ΔS)、吉布斯自由能(ΔG)及平衡常数logK进行了计算,并进一步在Equilibrium Compositions模块中进行了平衡计算。

3 教学数据分析与讨论

3.1 炉甘石定性和定量分析

采用X射线光谱分析(X-ray fluorescent apectrometry,XRD)对贵州赫章产地的炉甘石生品物相结构进行分析,采用JADE 6.0 软件对采集的衍射图谱进行物相定性分析,得到主要物相的晶系参数、空间群参数和晶格参数,再在TOPAS4.2软件中进行 Rietveld 全谱图拟合物相定量分析,测定结果如图1和表1所示。

表1 贵州赫章炉甘石的XRD谱图拟合分析结果

图1 炉甘石的XRD图谱

由图 1 可知,炉甘石的主要物相组成为ZnCO3( JCPDF 卡片号:99-0095 ),另外,还含有少量其他物相ZnO( JCPDF 卡片号:99-0111)83-1831 )、FeO(OH)(JCPDF 卡片号:99-0055)、Fe2O3(JCPDF 卡片号:99-0060)。由表1可知,ZnCO3的含量85.4%,ZnO的含量为0.8%,FeO(OH)的含量为10.6%,Fe2O3的含量为3.2%。

3.2 炉甘石煅制过程中可能发生的反应

药典规定,炉甘石当以碳酸盐类矿物方解石族菱锌矿,主含碳酸锌(ZnCO3)为基源矿物,作为中药饮片用,考察的主要指标均为氧化锌含量,本论文主要以中药炮制学中炉甘石经过明煅法变成煅炉甘石的物相和组成进行研究,综合XRD分析结果,炉甘石在煅制过程中可能发生的反应如表2所示,由表2可知,在煅烧过程中体系主要发生碳酸锌的分解反应和碱式氧化铁脱水的化学反应。

表2 炉甘石煅制过程中可能发生的化学反应

3.3 反应平衡热力学计算

为了更好地了解上述反应的可能性和反应程度,利用HSC Chemistry 6.0软件对炉甘石分解过程中的两个反应进行平衡热力学计算。主要根据吉布斯自由能最低原理和熵增加原理[19]和手册中热力学数据和计算方法按式(1)～(8) 进行计算[20]。

按照上述反应平衡热力学数据和计算方法分别计算了1 bar压力下、温度在0～1 000 ℃时各反应的吉布斯自由能(ΔG)、平衡常数logK、焓变(ΔH)及熵变(ΔS)与温度之间的关系,计算结果如图2和图3所示。

图2 (a)、(b)表示R1反应在0～900 ℃温度范围内的吉布斯自由能ΔG和反应平衡常数logK随温度的变化,当温度达到134 ℃时,R1反应公式的ΔG由正变为负,logK值随着温度的增加而增加,这意味着高温有利于ZnCO3分解ZnO,此外由图2(c)R1反应的反应焓(ΔH)均大于0,为吸热反应,但随着温度的增加,焓变逐渐减少,熵变均减少。一般来说,反应温度的升高促进了ZnCO3的分解。

图3 (a)、(b)表示R2反应在0～900 ℃温度范围内的吉布斯自由能ΔG和反应平衡常数logK随温度的变化,当温度达到86 ℃时,R2反应公式的ΔG由正变为负,logK值随着温度的增加而增加,此外由图3(c)R2反应的反应焓(ΔH)均大于0,为吸热反应,随着温度的增加,焓变和熵变逐渐减少,到600～700 ℃ 出现了一个平台然后焓变和熵变又继续减少。因此,提高反应温度有利于产物含量的升高。

通常,在学习《中药炮制学》之前,学生已在《物理化学》课程中学习过该知识点。因此,应用HSC chemistry 计算软件分析验证某已知反应的方向和自发性过程时,输入一定的压力值、温度范围和升温步长后即可得到计算结果。另外,为进一步佐证上述计算结果,经查阅文献[21]资料表明,炉甘石煅制时反应R1发生反应的热解温度区间为170～320 ℃,这与应用HSC计算后得到的结论是一致的。

3.4 反应温度对平衡组成的影响

采用HSC Chemistry 6.0中的平衡组成板块,探究了在1 bar大气压空气条件下,反应温度对平衡组成的影响,设定炉甘石的物质的量为0.086 kmol,其中ZnCO3、ZnO、FeO(OH)和Fe2O3的含量参考表1进行设定,计算结果见图4。

图4 反应温度对炉甘石平衡组成的影响

从图4 可以看出,在空气气氛中,即氧气的体积分数为 21%,反应一开始时,ZnCO3的组成为0.071 kmol,FeO(OH)的组成为0.007 6 kmol,随着温度的增加,吉布斯自由能逐渐减小,平衡常数增加,因此ZnCO3逐渐分解为ZnO和CO2,FeO(OH)脱去结合水生成Fe2O3,300 ℃时ZnCO3的平衡组成为8.22×10-6kmol,体系平衡组成中其含量已接近为零,ZnO的平衡组成从最开始的0.002 9 kmol增加到0.074 kmol,相应的CO2的平衡组成也增加0.073 kmol;Fe2O3的平衡组成从最开始的0.003 5 kmol增加到0.073 kmol,相应的H2O的平衡组成也增加0.004 5 kmol。由图4可以看到,当温度达到300 ℃时,其平衡物质的量组成基本不变,趋于恒定。

《中药炮制学》课程教学中炉甘石炮制部分引入上述反应温度对平衡组成的影响,可以通过曲线变化了解温度对产物组成的影响,不仅激发了学生们对炮制课程的兴趣,而且可以拓宽学生视野,激励学生的创新思路,提高学生的创新能力。

3.5 炉甘石的TG-DSC-DTG-MS分析验证

热重-质谱联用分析仪( TG-DSC-DTG-MS) 由热重分析仪和质谱仪组成,可在线实时监测炉甘石热解过程中的失重以及挥发性气体的析出特性[11],为验证HSC热力学分析结果开展炉甘空气条件热分解的验证试验,测试结果见图5。

图5 炉甘石的TG-DSC-DTG-MS图谱

从图5可看出随着炉温的升高,炉甘石的热重可以分三个阶段。第一阶段:在室温～95 ℃,TG曲线显示,炉甘石样品的重量减少了1.04%,这是由于矿物中自由水的损失,可以从图5c质谱中可以看出为自由水H2O的峰。第二阶段:150～299 ℃,TG曲线显示质量损失为5.07%,图5a中DTG曲线呈现一向下的倒峰,为吸热反应,可能是炉甘石矿物继续脱水或其他有机杂质被分解。第三阶段:300～700 ℃,TG曲线显示质量损失为20.65%,总质量损失为26.76%主要是由于ZnCO3分解反应生成ZnO和CO2,DTG曲线持续变陡,在385 ℃达到第二个最低点(达-2.53%/min),ZnCO3分解反应是吸热反应,在图5a中的热流曲线为一向下的倒峰,质谱图5c中CO2离子流出现的峰值和TG、DSC和DTG一致。通过TG-DSC-DTG-MS实验说明实验结果与热力学计算结果具有一致性,FeO(OH)先脱水为Fe2O3,然后ZnCO3分解为ZnO并释放出CO2,但由于热重实验条件升温至一定温度时体系未达到平衡,因此在该实验条件下500 ℃以上才分解完全。由HSC软件计算结果和TG-MS实验结果可知,炉甘石煅制实验中不仅需要考虑煅制温度对反应产物的影响,还要考虑煅制时间对反应产物的影响,探索炉甘石热解达到平衡组成时所需要的时间。

3.6 炉甘石煅制时间和温度对氧化锌含量的影响

煅制温度和煅制时间是炉甘石热解过程中的两个关键因素。为了研究温度和时间对热解程度的影响,在100～800 ℃的温度范围内,20～80 min的时间内对炉甘石样品进行了实验,按照《中国药典》2020年版一部炉甘石项下的含量测定方法测定出有效成分ZnO含量[8],结果如图6和图7所示。

图6 炉甘石在700℃煅制时ZnO含量随煅烧时间的变化

图7 炉甘石在60min煅制时ZnO含量随煅烧温度的变化

由图6可见,炉甘石在煅制温度700 ℃下抗菌有效成分ZnO的含量随着煅制时间的延长先升高后降低,在60 min时其含量达到最大值60.73%。由图7可见样品在煅制时间为60 min的ZnO的含量随着煅制温度的增加先升高后降低,600 ℃时ZnO百分含量达到最大值67.96%随着温度的升高可能是炉甘石中的一些杂质和有效成分产生了复杂的矿相引起ZnO含量的降低。

3.7 不同温度煅炉甘石样品XRD分析测试

XRD可以测试炉甘石生品和不同温度制备的炮制品组成,其分析结果见图8。

图8 炉甘石生品及不同温度炮制品X射线衍射图

由图8可见,ZnCO3的衍射峰强度随着温度的升高而降低,而ZnO的衍射峰强度持续增加,在400 ℃,ZnCO3的所有特征峰消失,说明炉甘石通过煅制后ZnCO3分解为ZnO,与相关研究一致[19],与TG-DSC-DTG-MS的结果分析比较一致。

4 教学效果与反思

《中药炮制学》课程是理论与实践高度融合的一门课程。理论课程主要讲授了煅法的基本原理及在一些矿物药石膏、石决明、白矾、炉甘石和自然铜等的应用,实验环节主要对煅制前后的药物进行定性和定量评价,在炉甘石煅制综合性实验设计中引入HSC chemistry热力学计算软件和材料的分析表征技术,从实践效果来看有以下特点:

(1)利用HSC热力学计算软件在中药炮制学炉甘石煅制实验教学上的应用,可以弥补传统实验教学方法中的不足,将炉甘石煅制过程中物相改变借助计算软件使学生对矿物药煅制的基本原理产生深刻的理解,为此对矿物药炮制学习表现出极大热情,不仅可以巩固相关的理论知识,而且又能够利用所学新知识解决矿物药煅制过程的关键问题,能够激发学生学习矿物药炮制知识的兴趣。

(2) 本实验中学生将在教师指导下学习矿物药的表征分析测试设备和数据处理软件,学生的动手操作能力得到有效提升,提高了对科学研究的兴趣,为今后毕业论文设计及从事科学研究工作奠定了基础。

(3)此多学科交叉融合的综合设计教学实验不仅优化了学生的专业知识结构,拓宽了知识面,而且也培养学生理论知识与实践技术综合应用的能力,大大提高了中药炮制学实验教学质量,也是创新型人才培养的一种模式,为学生以后继续深造或者走向工作岗位做准备。